Laser lạnh là gì?

Khái niệm về laser hoạt động ở nhiệt độ thấp không phải là mới: laser thứ hai trong lịch sử là laser lạnh. Ban đầu, khái niệm này khó có thể đạt được hoạt động ở nhiệt độ phòng, và sự nhiệt tình đối với công việc ở nhiệt độ thấp bắt đầu vào những năm 1990 với sự phát triển của laser và bộ khuếch đại công suất cao.

Ở công suất caonguồn laser, các hiệu ứng nhiệt như mất phân cực, thấu kính nhiệt hoặc uốn cong tinh thể laser có thể ảnh hưởng đến hiệu suất củanguồn sáng. Thông qua làm mát ở nhiệt độ thấp, nhiều hiệu ứng nhiệt có hại có thể được ngăn chặn hiệu quả, tức là môi trường khuếch đại cần được làm mát đến 77K hoặc thậm chí 4K. Hiệu ứng làm mát chủ yếu bao gồm:

Độ dẫn điện đặc trưng của môi trường khuếch đại bị ức chế rất nhiều, chủ yếu là do đường đi tự do trung bình của dây tăng lên. Kết quả là, độ dốc nhiệt độ giảm đáng kể. Ví dụ, khi nhiệt độ giảm từ 300K xuống 77K, độ dẫn nhiệt của tinh thể YAG tăng lên gấp bảy lần.

Hệ số khuếch tán nhiệt cũng giảm mạnh. Điều này, cùng với việc giảm độ dốc nhiệt độ, dẫn đến hiệu ứng thấu kính nhiệt giảm và do đó giảm khả năng vỡ ứng suất.

Hệ số nhiệt quang cũng giảm, làm giảm thêm hiệu ứng thấu kính nhiệt.

Sự gia tăng tiết diện hấp thụ của ion đất hiếm chủ yếu là do sự giảm độ giãn nở do hiệu ứng nhiệt. Do đó, công suất bão hòa giảm và độ lợi laser tăng. Do đó, công suất bơm ngưỡng giảm và có thể thu được các xung ngắn hơn khi công tắc Q đang hoạt động. Bằng cách tăng độ truyền của bộ ghép đầu ra, có thể cải thiện hiệu suất độ dốc, do đó hiệu ứng mất khoang ký sinh trở nên ít quan trọng hơn.

Số lượng hạt của tổng mức thấp của môi trường khuếch đại ba mức gần đúng được giảm, do đó công suất bơm ngưỡng được giảm và hiệu suất công suất được cải thiện. Ví dụ, Yb:YAG, tạo ra ánh sáng ở 1030nm, có thể được coi là hệ thống ba mức gần đúng ở nhiệt độ phòng, nhưng là hệ thống bốn mức ở 77K. Er: Điều tương tự cũng đúng đối với YAG.

Tùy thuộc vào môi trường khuếch đại, cường độ của một số quá trình dập tắt sẽ giảm đi.

Kết hợp với các yếu tố trên, hoạt động ở nhiệt độ thấp có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của laser. Đặc biệt, laser làm mát ở nhiệt độ thấp có thể đạt được công suất đầu ra rất cao mà không có hiệu ứng nhiệt, tức là có thể đạt được chất lượng chùm tia tốt.

Một vấn đề cần xem xét là trong tinh thể laser làm lạnh đông, băng thông của ánh sáng bức xạ và ánh sáng hấp thụ sẽ giảm, do đó phạm vi điều chỉnh bước sóng sẽ hẹp hơn và độ rộng đường và độ ổn định bước sóng của laser bơm sẽ nghiêm ngặt hơn. Tuy nhiên, hiệu ứng này thường hiếm gặp.

Làm mát bằng phương pháp đông lạnh thường sử dụng chất làm mát, chẳng hạn như nitơ lỏng hoặc heli lỏng, và lý tưởng nhất là chất làm lạnh lưu thông qua một ống được gắn vào tinh thể laser. Chất làm mát được bổ sung kịp thời hoặc được tái chế trong một vòng kín. Để tránh đông đặc, thường cần phải đặt tinh thể laser trong một buồng chân không.

Khái niệm tinh thể laser hoạt động ở nhiệt độ thấp cũng có thể được áp dụng cho bộ khuếch đại. Titan sapphire có thể được sử dụng để tạo ra bộ khuếch đại phản hồi tích cực, công suất đầu ra trung bình tính bằng hàng chục watt.

Mặc dù các thiết bị làm mát bằng nhiệt độ thấp có thể phức tạphệ thống laser, các hệ thống làm mát phổ biến hơn thường ít đơn giản hơn và hiệu quả của phương pháp làm mát bằng nhiệt độ thấp giúp giảm bớt phần nào sự phức tạp.